Тепловизоры. Историческая справка

Эксперименты в области визуализации тепловых полей (тепловидения) с использованием различных физических эффектов, например, эвапорографии, проводились еще до Второй мировой войны, в том числе и в России. В годы войны в СССР системы теплового обнаружения были использованы при охране конвоев союзников, а в армию поступили первые образцы коротковолновых приборов ночного видения, разработанных под руководством С.М.Николаева. Практическое применение системы «ИК видения» нашли в начале 1950-х годов во время войны, которую вели США в Корее. Первые тепловизоры работали в ближнем ИК диапазоне, поскольку использовали неохлаждаемые приемники на основе солей свинца, и требовали активной подсветки, что снижало эффективность их применения. В послевоенные годы заметные работы в области ИК техники были выполнены в бывшем СССР. Часто считают, что прообразом тепловизоров с оптико-механическим  сканированием  является  бортовая ИК система фирмы Barnes, США, созданная в 1954 г. и положившая начало так называемым «впередсмотрящим» ИК системам (Forward Looking Infrared — FLIR), размещаемым на летательных аппаратах. В этих тепловизорах была предусмотрена только строчная развертка сцены, поскольку кадровая развертка осуществлялась за счет перемещения летательного аппарата относительно поверхности Земли. Первые портативные тепловизоры, использовавшие охлаждаемые линейные матрицы  на основе селенида свинца, пригодные для полевой съемки, были испытаны в США в 1960-х годах и в дальнейшем выпускались  в виде модельной серии AN/PAS. Модель показывающего тепловизора AN/PAS 110 использовала линейный PbSe фотоприемник (спектральный диапазон 2…5 мкм) и колеблющееся зеркало в качестве сканера, обеспечивая частоту смены изображений 30 Гц при температурном разрешении 0,1оС. Тепловизор имел массу около 10 кг, включая пояс с аккумуляторами, и использовался в технической диагностике, а также в системах наблюдения и охраны. В СССР в 1961 г. М.М.Мирошников продемонстрировал тепловой след, оставшийся через 30 минут от человека, лежавшего на деревянном полу. При этом различались контуры тела благодаря уникальной для тех лет температурной чувствительности – 0,03оС. Первые измерительные тепловизоры (англоязычный термин — scanning radiometers, т.е. сканирующие радиометры) появились также в 1960-х годах в качестве побочного продукта военных разработок, поскольку для военных тепловизионных систем измерение температуры не являлось приоритетным. Энергетический кризис 1970-х годов обеспечил государственную поддержку двум шведским фирмам-AGA (ныне FLIR Systems, США) и Bofors, которые разработали первые портативные измерительные тепловизоры. Гражданская модификация военного тепловизора фирмы AGA-прибор Thermovision-650-больше напоминал  телескоп из-за использования оптики большого диаметра. Следующая коммерческая модель Thermovision-665 имела массу 35 кг, требовала охлаждения приемника жидким азотом и также была далека  от последующих портативных приборов (интересно отметить, что именно эта модель послужила прототипом известного отечественного прибора ТВ-03, который выпускался без особых изменений вплоть до начала перестройки). Модель Thermovision-680 1968 г. со сменной оптикой стала первым коммерческим тепловизором, получившим  широкое распространение. Введение аккумуляторного питания в следующую модель Thermovision-750 превратило ее в портативный прибор, однако измерение температуры все еще требовало размещать в поле зрения эталонный излучатель. В 1978 г. была  разработана модель Thermovision-780, в которую был введен встроенный эталон температуры и использована запись термоизображений на видеопленку.

В 60-е годы  прошлого века благодаря работам М.М.Мирошникова, П.В.Тимофееева, В.И.Архангельского и др. происходило становление отечественного тепловидения. М.М.Мирошниковым и М.А.Собакиным с сотрудниками были выполнены фундаментальные исследования в области медицинского тепловидения с помощью системы, обладавшей температурным разрешением 0,3оС и временем кадра 15 минут. Эти работы основывались на пионерских исследованиях Н.Н.Красногорского (1942 г.) и Р.Лоусона (1956 г.) по применению тепловидения в в медицине.

В период с 1970 по 1990 гг. прогресс гражданского тепловидения, по крайней мере, в Европе, был по-прежнему связан с работами шведской фирмы AGA (AGEMA Infrared Systems). В 1986 г. фирма отказалась от охлаждения ИК приемника жидким азотом и ввела в модель Thermovision-870 термоэлектрический холодильник.  В  1988 г.  на  рынке  появились  тепловизоры  Thermovision-400 массой около 7 кг, которые в течение многих лет оставались непревзойденными приборами для  ИК съемки.

Отечественные разработки в 80-90-х годах прошлого столетия развивались по нескольким направлениям. Прежде всего, в ГОИ им. С.И.Вавилова под руководством М.М.Мирошникова продолжала разрабатываться оригинальная теория оптико-электронных устройств, на основе которой, совместно с Азовским оптико-механическим заводом, были созданы тепловизоры как военного, так и гражданского применения: «Филин», «Рубин», «Алмаз», «Радуга», «Статор», «Вулкан» и их модификации. Параллельно в НИИ «Исток» А.Г. Жуковым разрабатывалась концепция отечественного тепловизора ТВ-03, которая повторяла основные технологические идеи ранних тепловизоров фирмы AGA, но потребовала создания отечественной элементной базы. Упрощение требований к некоторым параметрам тепловизоров, например, за счет увеличения времени кадра, позволило организовать выпуск тепловизоров малой серии АТП (Московский институт радиотехники, электроники и автоматики — МИРЭА). Наконец, в МНПО «Спектр», была предпринята попытка повторить шведские тепловизоры на альтернативной отечественной элементной базе (тепловизор ИФ-10ТВ). Специализированные тепловизоры,  предназначенные для исследования распределения энергии в мощных лазерных пучках, были разработаны во Всесоюзном институте оптико-физических измерений (ВНИИОФИ) и Институте теоретической и прикладной механики (ИТПМ) СО АН СССР. Ряд бортовых тепловизионных систем военного применения был разработан в те годы в Государственном институте прикладной оптики (ГИПО), ФГУП «Орион»  и некоторых других организациях, однако их параметры остались неизвестными широкому потребителю. Тем не менее, в СССР так и не был налажен серийный выпуск тепловизионных приборов ночного видения и танковых прицелов, которые были столь необходимы во время операции советских войск в Афганистане. В последние годы вследствие причин экономического характера проявилось отставание отечественных работ от зарубежного уровня в области создания неохлаждаемых микроболометрических матриц.

В 1995 г. фирмой AGEMA Infrared Systems был начат выпуск нового поколения тепловизоров  серии Thermovision-500, в которых были применены мозаичные детекторы, устанавливаемые в фокальной плоскости  (Focal Plane Array — FPA). В  эти же годы приобрели известность  тепловизоры  фирмы  Inframetrics  (США),  в которых для охлаждения фотоприемника до -200оС был использован миниатюрный холодильник  Стирлинга. Тепловизоры Thermovision 500-й (позднее 600-й) серии с массой около 2 кг, а позднее FPA-тепловизоры, использующие фотоприемники на квантовых ловушках (Quantum Well Photodetectors-QWIP), фактически ознаменовали революцию в ИК видении.

В середине 90-х годов прошлого столетия произошло слияние трех крупнейших производителей ИК аппаратуры: фирм FLIR (США), Inframetrics (США) и AGEMA Infrared Systems (Швеция).  С начала XXI-го века, после приобретения компании Indigo Systems, фирма FLIR Systems, США, является самым крупным мировым производителем тепловизоров гражданского применения. Фирма выпускает тепловизионную аппаратуру широкой номенклатуры, предназначенную для: 1) научных исследований  с возможностью записи динамических последовательностей  ИК термограмм в реальном времени); 2) полевых съемок и инспекций промышленных установок с неохлаждаемым приемником излучения, цифровой записью ИК термограмм на PCMCI карту и параллельным видимым каналом; в 2002 г. выпущен сравнительно недорогой измерительный тепловизор ThermaCam E2 массой 0,7 кг, а в 2006 г. начат массовый выпуск самого дешевого в мире измерительного тепловизора InfraCam); 3) наблюдения объектов, или ночного видения (прибор  ThermaCAM Scout); 4) мониторинга объектов с борта летательного аппарата. Заметными мировыми производителями тепловизоров являются фирмы Raytheon (США), Santa Barbara Focal Plane (США), Mikron (США), NEC (Япония), CEDIP (Франция), AEG Infrarot-Module и Jenoptik (Германия). В 2002 г. на мировом рынке заявили о себе китайские производители тепловизоров (фирмы WuHan Guide Electronic Industrial  и Guangzhou Sat Infrared), использующие французские мозаичные детекторы производства фирмы ULIS.

В целом, мировой рынок ИК тепловизоров в последние годы претерпел значительные изменения, обусловленные, во-первых, окончанием холодной войны между двумя политическими системами, что сократило военные бюджеты сторон, а во-вторых, разработкой технологии изготовления неохлаждаемых матричных детекторов ИК излучения. В результате появились системы двойного назначения (dual use), которые могут использоваться как в военных, так и в гражданских применениях. При этом рынок систем двойного назначения включает тепловизоры как с охлаждаемыми, так и с неохлаждаемыми детекторами, тогда как неохлаждаемые матричные тепловизорами в принципе являются приборами двойного назначения.

В 1999 г. объем мирового рынка тепловизоров коммерческого и двойного назначения составлял 660 миллионов долларов США. По оценкам Г.Фуллопа, ведущего американского аналитика в области ИК систем, к 2006 этот рынок достиг объема в 2,6 миллиарда долларов США, причем бóльшая часть прироста объема рынка за счет широкого внедрения недорогих систем ночного вождения автомобилей.

Разработки российских тепловизоров в последнюю декаду продолжали идеи, воплощенные в более ранних моделях, но с учетом новых технологических возможностей, прежде всего, с использованием цифровой обработки и накопления результатов измерений. Примером является тепловизор «ИРТИС», в котором продолжает использоваться оптико-механическое медленное сканирование, что, с одной стороны, делает его малоприменимым в неразрушающем контроле материалов, но, с другой стороны, обеспечивает приемлемые метрологические показатели и высокое качество термограмм при использовании в технической диагностике. Конкурентоспособность прибора на российском рынке поддерживается его относительно невысокой ценой. В последние годы появились отечественные тепловизоры, использующие как западные , так и отечественные матричные детекторы ИК излучения, однако в данных приборах полностью не решена проблема пиксельного измерения температуры, в особенности, если речь идет о неохлаждаемых матрицах.

Поделиться